DE102009026526A1 - laser device - Google Patents

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Hans Wenzel
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung (100) mit mindestens zwei schichtartig übereinander angeordneten und als Kantenemitter ausgebildeten monolithisch integrierten und optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern (110, 120). Erfindungsgemäß ist mindestens ein weiterer Halbleiterlaser (130) vorgesehen, der nicht mit einem benachbarten Halbleiterlaser (120) optisch gekoppelt ist.The invention relates to a laser device (100) having at least two monolithically integrated semiconductor lasers (110, 120) stacked one above the other and designed as edge emitters. According to the invention, at least one further semiconductor laser (130) is provided, which is not optically coupled to an adjacent semiconductor laser (120).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung mit mindestens zwei schichtartig übereinander angeordneten und als Kantenemitter ausgebildeten monolithisch integrierten und optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern.The The invention relates to a laser device with at least two layers one above the other arranged and designed as an edge emitter monolithic integrated and optically coupled semiconductor lasers.

Eine derartige Lasereinrichtung ist bereits aus der DE 10 2006 061 532 A1 bekannt. Die bekannte Lasereinrichtung hat den Nachteil, dass sie nur für den Pulsbetrieb, speziell nur für verhältnismäßig kurze Pulsdauern im Nanosekundenbereich, geeignet ist, weil bereits bei Pulsdauern im Mikrosekundenbereich eine zu starke Erwärmung der Lasereinrichtung erfolgt, die zur Ausbildung eines in der Regel nichtkonstanten Temperaturprofils entlang einer Schichtdickenkoordinate der Lasereinrichtung führt. Das bedeutet, dass solche Laserschichten, die näher an einer Wärmesenke angeordnet sind, eine niedrigere Temperatur aufweisen, als solche Laserschichten, die weiter entfernt angeordnet sind von der Wärmesenke. Das nichtkonstante Temperaturprofil führt zu unerwünschten Änderungen in dem Brechungsindex einzelner Komponenten der Lasereinrichtung. Insbesondere bei optisch gekoppelten Strukturen sind derartige Variationen des Brechungsindex über der Schichtdickenkoordinate unerwünscht, da sie die Effizienz der optischen Kopplung beeinträchtigen. Infolgedessen ergeben sich insbesondere vergrößerte Abstrahlwinkel im Fernfeld und höhere intrinsische Verluste.Such a laser device is already out of the DE 10 2006 061 532 A1 known. The known laser device has the disadvantage that it is suitable only for pulsed operation, especially for relatively short pulse durations in the nanosecond range, because even at pulse durations in the microsecond range too high heating of the laser device takes place, which is to form a non-constant temperature profile along a layer thickness coordinate of the laser device leads. This means that such laser layers, which are arranged closer to a heat sink, have a lower temperature than those laser layers, which are arranged further away from the heat sink. The non-constant temperature profile leads to undesirable changes in the refractive index of individual components of the laser device. Especially in the case of optically coupled structures, such variations in the refractive index over the layer thickness coordinate are undesirable since they impair the efficiency of the optical coupling. As a result, in particular increased magnification in the far field and higher intrinsic losses.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lasereinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die mit dem sich während des Betriebs einstellenden unsymmetrischen Temperaturprofil einhergehenden Nachteile vermieden werden.Accordingly It is an object of the present invention to provide a laser device of The above-mentioned type to improve that with the during operation adjusting unbalanced Temperature profile associated disadvantages are avoided.

Diese Aufgabe wird bei der Lasereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein weiterer Halbleiterlaser vorgesehen ist, der nicht mit einem benachbarten Halbleiterlaser optisch gekoppelt ist.These Task is in the laser device of the type mentioned solved according to the invention that at least one further semiconductor laser is provided, which is not is optically coupled to an adjacent semiconductor laser.

Dies ergibt den Vorteil, dass auch trotz verhältnismäßig starker Unsymmetrien eines Temperaturprofils mindestens ein weiterer Hableiterlaser in der Lasereinrichtung im Sinne einer Leistungssteigerung bezüglich der optischen Ausgangsleistung vorgesehen werden kann, der aufgrund der Unsymmetrien jedoch nur unzureichend mit einem benachbarten Halbleiterlaser gekoppelt werden könnte. Die erfindungsgemäß vorgesehenen nicht gekoppelten Halbleiterlaser weisen vorteilhaft eine günstige Intensitätsverteilung im Fernfeld auf, weil sie nicht der temperaturbedingt suboptimalen optischen Kopplung unterliegen.This gives the advantage that even despite being proportionate strong asymmetries of one temperature profile at least one more Habeiterlaser in the laser device in the sense of an increase in performance be provided with respect to the optical output power However, the insufficient due to the asymmetries with could be coupled to a neighboring semiconductor laser. The inventively provided non-coupled semiconductor laser advantageously have a favorable intensity distribution in the far field because they are not suboptimal due to temperature subject to optical coupling.

Durch die erfindungsgemäße Kombination von mehreren optisch miteinander gekoppelten und mindestens einem nicht optisch gekoppelten Halbleiterlaser kann somit eine Lasereinrichtung mit großer optischer Ausgangsleistung bei gleichzeitig günstiger Intensitätsverteilung im Fernfeld realisiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasereinrichtungen ist dieser Vorteil insbesondere auch dann noch gegeben, wenn sich eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Lasereinrichtung ergibt.By the inventive combination of several optically coupled with each other and at least one non-optical Coupled semiconductor laser can thus with a laser device great optical output power at the same time favorable intensity distribution be realized in the far field. Unlike traditional ones Laser equipment is this advantage in particular even then given when there is an uneven temperature distribution in the laser device results.

Dadurch ist es vorteilhaft möglich, Lasereinrichtungen herzustellen, die im Gegensatz zu den bekannten Systemen auch bei Pulsdauern der erzeugten Laserstrahlung im Mikrosekundenbereich oder sogar im Millisekundenbereich und der damit einhergehenden Eigenerwärmung effizient arbeiten.Thereby it is advantageously possible to produce laser devices, in contrast to the known systems even at pulse durations of generated laser radiation in the microsecond range or even in the millisecond range and the associated self-heating work efficiently.

Die Anordnung der optisch nicht miteinander gekoppelten Halbleiterlaser in dem Stapelaufbau der Lasereinrichtung wird erfindungsgemäß vorteilhaft so gewählt, dass sie in Schichtdickenbereichen angeordnet sind, in denen bei Betrieb verhältnismäßig hohe Temperaturgradienten über der Schichtdicke auftreten.The Arrangement of the optically non-coupled semiconductor laser in the stack construction of the laser device is advantageous according to the invention chosen so that they are arranged in layer thickness ranges are in those in operation relatively high Temperature gradients over the layer thickness occur.

Eine weitere, besonders einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtaufbau der Lasereinrichtung in zwei aneinander angrenzende Schichtdickenbereiche unterteilt ist, wobei ein erster Schichtdickenbereich Halbleiterlaser aufweist, die jeweils mit benachbarten Halbleiterlasern desselben Schichtdickenbereichs optisch gekoppelt sind, und wobei ein zweiter Schichtdickenbereich Halbleiterlaser aufweist, die nicht mit benachbarten Halbleiterlasern, insbesondere desselben Schichtdickenbereichs, optisch gekoppelt sind. Besonders bevorzugt erfolgt die Unterteilung der Schichtdickenbereiche in Abhängigkeit von einem für einen Betrieb der Lasereinrichtung erwarteten Temperaturverlauf über der Schichtdickenkoordinate. Die erfindungsgemäße Einteilung in die unterschiedlichen Schichtdickenbereiche ermöglicht eine besonders einfache Fertigung der Lasereinrichtung, bei der die eine optische Kopplung benachbarter Halbleiterlaser bestimmenden Fertigungsparameter nur einmal, nämlich in dem Übergangsbereich zwischen den beiden Schichtdickenbereichen, verändert werden müssen.A another, particularly simple embodiment of the invention Laser device is characterized in that a layer structure of Laser device in two adjoining layer thickness ranges is divided, wherein a first layer thickness range semiconductor laser each having adjacent semiconductor lasers of the same layer thickness range are optically coupled, and wherein a second layer thickness range Semiconductor laser not with adjacent semiconductor lasers, in particular the same layer thickness range, optically coupled are. Particularly preferably, the subdivision of the layer thickness ranges takes place depending on one for operation of the Laser device expected temperature profile over the layer thickness coordinate. The inventive division into the different Layer thickness ranges enable a particularly simple Production of the laser device, in which the one optical coupling adjacent semiconductor laser-defining manufacturing parameters only once, namely in the transition area between the two layer thickness ranges, must be changed.

Eine bezogen auf die Schichtickenkoordinate abwechselnde Vorsehung von optisch miteinander gekoppelten und nicht optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern ist ebenfalls denkbar.A referring to the layered coordinate alternate providence of optically coupled with each other and not optically coupled together Semiconductor lasers is also conceivable.

Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass ein erster Brechungsindexverlauf eines ersten Halbleiterlasers über einer Schichtdickenkoordinate und bezogen auf eine Referenztemperatur verschieden ist von einem entsprechenden zweiten Brechungsindexverlauf eines zweiten Halbleiterlasers. Die erfindungsgemäße, hinsichtlich des Brechungsindexverlaufes unterschiedliche, Auslegung verschiedener Halbleiterlaser bezogen auf die Referenztemperatur ermöglicht vorteilhaft eine Kompensation der störenden Effekte eines unsymmetrischen bzw. nichtkonstanten Temperaturprofils über die gesamte Lasereinrichtung.In another very advantageous inventions variant is provided that a first refractive index profile of a first semiconductor laser over a layer thickness coordinate and relative to a reference temperature is different from a corresponding second refractive index profile of a second semiconductor laser. The inventive, with respect to the refractive index variation different design of different semiconductor laser relative to the reference temperature advantageously allows compensation of the disturbing effects of a single-ended or non-constant temperature profile over the entire laser device.

Besonders bevorzugt wird unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips der Brechungsindexverlauf unterschiedlicher Halbleiterlaser der Lasereinrichtung – bezogen auf die Referenztemperatur, beispielsweise Raumtemperatur – so voneinander verschieden gewählt, dass sich während eines Betriebs der Lasereinrichtung und einer sich hierbei einstellenden nichtkonstanten Temperaturverteilung über der Schichtdickenkoordinate effektiv möglichst geringe Variationen bzw. Unsymmetrien bezüglich des Brechungsindex der einzelnen Halbleiterlaser ergeben. D. h., eine temperaturbedingte Variation des Brechungsindex entlang der Schichtdickenkoordinate in der Lasereinrichtung kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips durch geeignete „Vorhaltung” des Brechungsindex in ausgewählten Bereichen der Lasereinrichtung zumindest teilweise und zumindest für einen gewissen Temperaturbereich kompensiert werden. Auf diese Weise kann ein Betrieb insbesondere der optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlaser optimiert werden.Especially is preferred using the inventive Principle of the refractive index profile of different semiconductor lasers the laser device - based on the reference temperature, for example, room temperature - so different from each other chosen that during operation of the Laser device and thereby adjusting non-constant temperature distribution via the layer thickness coordinate effectively as small as possible Variations or asymmetries with respect to the refractive index of the individual semiconductor laser. That is, a temperature-related Variation of the refractive index along the layer thickness coordinate in the laser device, using the inventive Principle by suitable "provision" of the refractive index in selected areas of the laser device at least partially compensated and at least for a certain temperature range become. In this way, an operation in particular the optical be optimized coupled semiconductor laser.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ist vorgesehen, dass ein über eine Schichtdicke eines ersten Halbleiterlasers gemittelter Brechungsindex bezogen auf die Referenztemperatur von einem über eine Schichtdicke eines zweiten Halbleiterlasers gemittelten Brechungsindex bezogen auf die Referenztemperatur verschieden ist. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine die optische Kopplung benachbarter Halbleiterlaser beeinträchtigende Deformation der entsprechenden Lasermoden im Wesentlichen von einem über die Schichtdicke des betreffenden Halbleiterlasers gemittelten Brechungsindex abhängt und somit entsprechend beeinflusst werden kann. Dadurch ergibt sich eine vereinfachte Herstellung der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung, weil vorwiegend auf die Einhaltung eines vorgegebenen gemittelten Brechungsindex zu achten ist und dementsprechend z. B. schichtintern lokale Variationen des Brechungsindex in gewissen Grenzen zugelassen werden können.at a preferred embodiment of the invention Laser device is provided that one over a layer thickness averaged refractive index of a first semiconductor laser based on the reference temperature of one over a layer thickness averaged refractive index of a second semiconductor laser to the reference temperature is different. According to the invention has been recognized that an optical coupling of adjacent semiconductor laser impairing deformation of the corresponding laser modes essentially of one over the layer thickness of the respective one Semiconductor laser averaged refractive index depends and thus can be influenced accordingly. This results in a simplified Production of the laser device according to the invention, because mainly due to the observance of a predetermined averaged Refractive index is respected and accordingly z. B. layer internally local variations of the refractive index allowed within certain limits can be.

Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ist vorgesehen, dass ein über die Schichtdicke des Halbleiterlasers gemittelter Brechungsindex in Abhängigkeit der Anordnung des betreffenden Halbleiterlasers innerhalb der Lasereinrichtung, insbesondere in Abhängigkeit einer räumlichen Entfernung zu einem Substrat und/oder einer Wärmesenke, gewählt ist, wodurch eine entsprechend präzise Kompensation von thermisch bedingten Variationen des Brechungsindex in unterschiedlichen Halbleiterlasern der Lasereinrichtung erzielt werden kann.at a further very advantageous embodiment of the invention Laser device is provided that an over the layer thickness of the semiconductor laser averaged refractive index depending the arrangement of the relevant semiconductor laser within the laser device, in particular depending on a spatial Distance to a substrate and / or a heat sink, is chosen, whereby a correspondingly precise Compensation of thermally induced variations of the refractive index achieved in different semiconductor lasers of the laser device can be.

Eine besonders präzise Kompensation ist einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zufolge ferner dann gegeben, wenn der Brechungsindex der Lasereinrichtung, insbesondere von die Halbleiterlaser bildenden Komponenten, sich zumindest abschnittsweise kontinuierlich über der Schichtdickenkoordinate ändert, um einem sich während des Betriebs der Lasereinrichtung einstellenden nichtkonstanten Temperaturprofil Rechnung zu tragen.A Particularly precise compensation is another embodiment According to the invention further given when the refractive index the laser device, in particular of the semiconductor laser forming Components, at least partially continuously over the layer thickness coordinate changes to one during the operation of the laser device adjusting non-constant Temperature profile account.

Bei einer Ausbildung eines Substrats der Lasereinrichtung aus Galliumarsenid kann beispielsweise durch eine Einstellung eines Aluminiumgehalts entsprechender Schichten der Lasereinrichtung – beispielsweise im Rahmen eines Epitaxie-Fertigungsprozesses – der Brechungsindex der betreffenden Schichten beeinflusst werden. Der Aluminiumgehalt in den die Lasereinrichtung bildenden Schichten kann vorteilhaft während der Fertigung so eingestellt werden, dass sich bei der angestrebten Betriebstemperatur der Lasereinrichtung, die i. d. R. von den vorgesehenen Pulsdauern und dem Kühlsystem abhängt, das für den Betrieb, insbesondere die optische Kopplung, optimale Brechungsindexprofil ergibt. Dies führt u. a. dazu, dass die erfindungsgemäße Lasereinrichtung bei der Referenztemperatur, die üblicherweise geringer ist als die Betriebstemperatur, ein nichtkonstantes Brechungsindexprofil aufweist, welches mit dem nichtkonstanten Temperaturprofil während des Betriebs der Lasereinrichtung korrespondiert. D. h., die Lasereinrichtung wird erfindungsgemäß – z. B. bezogen auf Raumtemperatur – bewusst unsymmetrisch hinsichtlich ihres Brechungsindexverlaufs ausgelegt, damit sie bei der von der Raumtemperatur abweichenden Betriebstemperatur bzw. einem entsprechenden nichtkonstanten Temperaturprofil den gewünschten, vorzugsweise symmetrischen bzw. konstanten Brechungsindexverlauf aufweist.at a formation of a substrate of the laser device of gallium arsenide For example, by adjusting an aluminum content accordingly Layers of the laser device - for example in the frame an epitaxy manufacturing process - the refractive index affected by the relevant layers. The aluminum content in the layers forming the laser device may be advantageous be set up during manufacture so that at the desired operating temperature of the laser device, the i. d. R. of the scheduled pulse durations and the cooling system depends on the operation, especially the optical coupling, optimal refractive index profile results. this leads to u. a. in that the laser device according to the invention at the reference temperature, which is usually lower is the operating temperature, a non-constant refractive index profile which, with the non-constant temperature profile during the operation of the laser device corresponds. That is, the laser device is inventively -. B. related to room temperature - deliberately unbalanced in terms of their refractive index curve designed so that they at the of the Room temperature deviating operating temperature or a corresponding non-constant temperature profile the desired, preferably having symmetrical or constant refractive index profile.

Eine besonders einfach realisierbare Erfindungsvariante ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex einer Schicht eines ersten Halbleiterlasers zumindest abschnittsweise um einen vorgebbaren, vorzugsweise konstanten, Wert von dem Brechungsindex einer korrespondierenden Schicht eines weiteren Halbleiterlasers abweicht.A particularly easy to implement variant of the invention is characterized in that in that the refractive index of a layer of a first semiconductor laser at least in sections by a predeterminable, preferably constant, Value of the refractive index of a corresponding layer of a deviates further semiconductor laser.

Eine weitere sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung sieht vor, dass die Halbleiterlaser eine unterschiedliche Anzahl von Quantenfilmen aufweisen, wodurch ebenfalls eine Beeinflussung eines über den jeweiligen Halbleiterlaser gemittelten Brechungsindex möglich ist.Another very advantageous variant of the laser device according to the invention provides that the semiconductor lasers have a different number of quantum films, which likewise makes it possible to influence a refractive index averaged over the respective semiconductor laser.

Aufgrund ihrer hohen Effizienz auch bei der Erzeugung von Laserpulsen mit Pulsdauern im Mikro- oder sogar Millisekundenbereich eignet sich die erfindungsgemäße Lasereinrichtung ganz besonders zur Erzeugung von Pumpstrahlung zum optischen Pumpen von weiteren Lasersystemen, insbesondere von Festkörperlasern mit passiver Güteschaltung.by virtue of Their high efficiency also in the generation of laser pulses Pulse durations in the micro or even milliseconds range is suitable the laser device according to the invention especially for Generation of pump radiation for optical pumping of further laser systems, in particular of solid state lasers with passive Q-switching.

Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Lasereinrichtung dazu eingesetzt, in einem Pulsbetrieb Laserimpulse mit Pulsdauern von mindestens etwa zwei Mikrosekunden, vorzugsweise mindestens etwa zehn Mikrosekunden, zu erzeugen.Especially the laser device according to the invention is preferred used in a pulse mode laser pulses with pulse durations at least about two microseconds, preferably at least about ten microseconds to produce.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.Further Features, applications and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments of the invention, which are illustrated in the figures of the drawing. All described or illustrated features form for itself or in any combination the subject of the invention, independently from its summary in the claims or their relationship and regardless of theirs Formulation or representation in the description or in the drawing.

In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:

1a einen Brechungsindexverlauf über einer Schichtdickenkoordinate einer herkömmlichen Lasereinrichtung; 1a a refractive index profile over a layer thickness coordinate of a conventional laser device;

1b ein Temperaturprofil über der Schichtdickenkoordinate der Lasereinrichtung gemäß 1a bei einem Pulsbetrieb mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich; 1b a temperature profile over the layer thickness coordinate of the laser device according to 1a in a pulse mode with pulse durations in the nanosecond range;

1c eine Intensitätsverteilung der durch die Lasereinrichtung gemäß 1c an intensity distribution of the by the laser device according to

1a erzeugten Laserstrahlung im Fernfeld; 1a generated laser radiation in the far field;

2a einen Brechungsindexverlauf einer herkömmlichen Lasereinrichtung, wie er sich bei einem Pulsbetrieb mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich ergibt; 2a a refractive index profile of a conventional laser device, as it results in a pulse operation with pulse durations in the microsecond range;

2b ein Temperaturprofil aufgetragen über der Schichtdickenkoordinate für die Lasereinrichtung gemäß 2a; 2 B a temperature profile plotted against the layer thickness coordinate for the laser device according to 2a ;

2c eine Intensitätsverteilung der durch die Lasereinrichtung gemäß 2a erzeugten Laserstrahlung im Fernfeld; 2c an intensity distribution of the by the laser device according to 2a generated laser radiation in the far field;

3a bis 5a jeweils einen Brechungsindexverlauf über einer Schichtdickenkoordinate gemäß der vorliegenden Erfindung; 3a to 5a each a refractive index profile over a layer thickness coordinate according to the present invention;

3b bis 5b den Brechungsindexverläufen der 3a bis 5a entsprechende Temperaturprofile; 3b to 5b the refractive index curves of 3a to 5a appropriate temperature profiles;

3c bis 5c den Brechungsindexverläufen in den 3a bis 5a entsprechende Intensitätsverteilungen im Fernfeld; 3c to 5c the refractive index curves in the 3a to 5a corresponding intensity distributions in the far field;

6, 7 einen Brechungsindexverlauf über der Schichtdickenkoordinate gemäß weiterer Ausführungsformen; und 6 . 7 a refractive index profile over the layer thickness coordinate according to further embodiments; and

8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung. 8th a schematic representation of an embodiment of the laser device according to the invention.

1a zeigt einen Verlauf eines Brechungsindex n der Komponenten einer herkömmlichen Lasereinrichtung mit insgesamt drei schichtartig übereinander angeordneten als Kantenemitter ausgebildeten monolithisch integrierten Halbleiterlasern 110, 120, 130. 1a shows a curve of a refractive index n of the components of a conventional laser device with a total of three layered superimposed formed as an edge emitter monolithically integrated semiconductor lasers 110 . 120 . 130 ,

Der Brechungsindexverlauf n ist aufgetragen über einer Schichtdickenkoordinate x, die einer Wachstumsrichtung eines epitaktischen Fertigungsprozesses entspricht, bei dem einzelne Komponenten 110, 120, 130 der herkömmlichen Lasereinrichtung nacheinander schichtweise in an sich bekannter Weise auf ein Substrat aufgewachsen werden.The refractive index profile n is plotted over a layer thickness coordinate x, which corresponds to a growth direction of an epitaxial production process in which individual components 110 . 120 . 130 The conventional laser device successively in layers in a conventional manner are grown on a substrate.

Bei der in 1a veranschaulichten Struktur ist links des ersten Halbleiterlasers 110 ein vorliegend nicht abgebildetes Galliumarsenid-Substrat angeordnet, und rechts des dritten Halbleiterlasers 130 befindet sich eine ebenfalls nicht abgebildete Wärmesenke.At the in 1a illustrated structure is to the left of the first semiconductor laser 110 a gallium arsenide substrate, not shown here, and to the right of the third semiconductor laser 130 there is a heat sink, also not shown.

Zusätzlich zu dem Brechungsindexverlauf n zeigt 1a auch einen entsprechenden Verlauf des Quadrats E2 der elektrischen Feldstärke in der Lasereinrichtung, der ebenfalls über der Schichtdickenkoordinate x aufgetragen ist.In addition to the refractive index curve n shows 1a also a corresponding course of the square E 2 of the electric field strength in the laser device, which is also plotted over the layer thickness coordinate x.

Wie aus 1a ersichtlich ist, weisen die insgesamt drei Halbleiterlaser, die den Schichtbereichen 110, 120, 130 entsprechen, jeweils denselben Brechungsindexverlauf n auf. Dabei umgeben Wellenleiterbereiche 112a, 112b mit einem Brechungsindex n0 eine nicht näher bezeichnete aktive Zone, die beispielsweise einen Quantenfilm aufweist und einen größeren Brechungsindex besitzt als die Wellenleiterbereiche 112a, 112b. Die weiteren Halbleiterlaser 120, 130 besitzen einen identischen Aufbau und sind von benachbarten Halbleiterlasern jeweils getrennt durch Tunneldioden 140, die zwischen Barriereschichten 150 mit niedrigem Brechungsindex eingebettet sind.How out 1a can be seen, the total of three semiconductor lasers, the layer areas 110 . 120 . 130 correspond, in each case the same refractive index curve n on. Surround waveguide areas 112a . 112b with an index of refraction n0 an unspecified active zone, for example, has a quantum well and has a higher refractive index than the waveguide regions 112a . 112b , The other semiconductor lasers 120 . 130 have an identical structure and are separated from neighboring semiconductor lasers each by tunnel diodes 140 between barrier layers 150 embedded with low refractive index.

Ein sich bei einem Pulsbetrieb der Lasereinrichtung einstellendes Temperaturprofil, d. h. der Temperaturverlauf in der Lasereinrichtung aufgetragen über der Schichtdickenkoordinate x, ist in 1b angegeben. Die Temperatur T ist wie aus 1b ersichtlich über die gesamte Schichtdicke der Lasereinrichtung konstant, weil vorliegend nur Pulsdauern im Nanosekundenbereich mit hinreichend langen Pulspausen verwendet werden, wodurch ein entsprechend geringer Wärmeeintrag in die Lasereinrichtung erfolgt. Daher weist die gesamte Lasereinrichtung die Umgebungstemperatur, beispielsweise Raumtemperatur, auf.A temperature profile which is established during pulsed operation of the laser device, ie the temperature profile in the laser device applied over the layer thickness coordinate x, is in 1b specified. The temperature T is like out 1b can be seen over the entire layer thickness of the laser device constant, because in the present case only pulse durations are used in the nanosecond range with sufficiently long pulse pauses, whereby a correspondingly low heat input into the laser device. Therefore, the entire laser device has the ambient temperature, for example room temperature.

1c zeigt eine Intensitätsverteilung I aufgetragen über dem Winkel θ, wie sie sich im Fernfeld der herkömmlichen Lasereinrichtung ergibt. Etwa 95% der als Laserstrahlung abgestrahlten Energie liegen in einem Winkelbereich Δθ von 60°, so dass ein effizienter Betrieb gegeben ist. 1c shows an intensity distribution I plotted against the angle θ, as it results in the far field of the conventional laser device. About 95% of the energy radiated as laser radiation is in an angular range Δθ of 60 °, so that an efficient operation is given.

2a zeigt einen Brechungsindexverlauf n der bereits unter Bezugnahme auf die 1a bis 1c beschriebenen herkömmlichen Lasereinrichtung, wie er sich bei einem Betrieb mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich ergibt. Aufgrund der im Vergleich zu dem Szenario gemäß 1a wesentlich größeren Pulsdauern ergibt sich eine nicht mehr vernachlässigbare Erwärmung der herkömmlichen Lasereinrichtung, was auch aus dem Temperaturprofil T gemäß 2b ersichtlich ist. Eine maximale Temperatur herrscht etwa im Bereich der Lasereinrichtungen 110, 120, während in dem Bereich der Lasereinrichtung 130 eine verhältnismäßig geringe Temperatur herrscht, was darauf zurückzuführen ist, dass sich die Lasereinrichtung 130 in räumlicher Nähe zu der bereits erwähnten Wärmsenke, wie beispielsweise einem Kühlkörper, befindet. 2a shows a refractive index curve n already with reference to FIGS 1a to 1c described conventional laser device, as it results in an operation with pulse durations in the microsecond range. Because of compared to the scenario according to 1a much longer pulse durations results in no longer negligible heating of the conventional laser device, which also from the temperature profile T according to 2 B is apparent. A maximum temperature prevails approximately in the area of the laser devices 110 . 120 while in the area of the laser device 130 a relatively low temperature prevails, which is due to the fact that the laser device 130 in spatial proximity to the already mentioned heat sink, such as a heat sink located.

Aufgrund des nunmehr nichtkonstanten Temperaturprofils T gemäß 2b ergibt sich eine von der Schichtdickenkoordinate x abhängige Veränderung des Brechungsindex n der verschiedenen Halbleiterlaser 110, 120, 130, vgl. 2a. D. h. während des Pulsbetriebs mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich haben die drei Halbleiterlaser 110, 120, 130 keine identischen Brechungsindexverläufe n mehr, wie dies bei dem Szenario gemäß 1a mit nur unwesentlicher Erwärmung der Fall war. Durch die individuellen Abweichungen des Brechungsindex n der Halbleiterlaser 110, 120, 130 werden die betreffenden Lasermoden entsprechend deformiert, und es sind keine optimalen Bedingungen mehr für die optische Kopplung der Halbleiterlaser 110, 120, 130 gegeben. Dies ist auch an der unsymmetrischen Verteilung des Quadrats E2 der elektrischen Feldstärke aus 2a abzulesen.Due to the now non-constant temperature profile T according to 2 B the result is a change of the refractive index n of the various semiconductor lasers dependent on the layer thickness coordinate x 110 . 120 . 130 , see. 2a , Ie. during pulsed operation with pulse durations in the microsecond range, the three semiconductor lasers 110 . 120 . 130 no identical refractive index gradients n more, as in the scenario according to 1a with only insignificant warming was the case. Due to the individual deviations of the refractive index n of the semiconductor laser 110 . 120 . 130 the respective laser modes are deformed accordingly, and there are no longer optimal conditions for the optical coupling of the semiconductor laser 110 . 120 . 130 given. This is also due to the asymmetrical distribution of the square E 2 of the electric field strength 2a read.

Dementsprechend erhöht sich auch der Winkelbereich Δθ (2c), in dem etwa 95% der abgestrahlten Energie auftreten, nachteilig auf etwa 81°.Accordingly, the angular range Δθ ( 2c ), in which about 95% of the radiated energy occurs, adversely affecting about 81 °.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass anstelle von jeweils miteinander optisch gekoppelten Halbleiterlasern mindestens ein Halbleiterlaser 130 vorgesehen ist, der nicht mit einem benachbarten Halbleiterlaser 120 optisch gekoppelt ist.According to the invention it is therefore provided that instead of each optically coupled semiconductor laser with each other at least one semiconductor laser 130 is provided, which does not work with an adjacent semiconductor laser 120 optically coupled.

8 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 100, bei der drei als Kantenemitter ausgebildete Halbleiterlaser 110, 120, 130 in einer Stapelanordnung monolithisch integriert übereinander geschichtet sind. Benachbarte Halbeiterlaser 110, 120 sind hierbei in an sich bekannter Weise über eine Tunneldiode 140 miteinander verbunden, um eine elektrische Versorgung der Halbleiterlaser 110, 120, 130 zu ermöglichen. Entsprechende Elektroden an den Oberflächen der Lasereinrichtung 100 sind nicht abgebildet. 8th schematically shows a side view of an embodiment of the laser device according to the invention 100 in which three semiconductor lasers designed as edge emitters 110 . 120 . 130 in a stack arrangement monolithically integrated stacked. Neighboring semiconductor lasers 110 . 120 are here in a conventional manner via a tunnel diode 140 interconnected to provide electrical power to the semiconductor laser 110 . 120 . 130 to enable. Corresponding electrodes on the surfaces of the laser device 100 are not shown.

Das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Prinzip kann generell auf Lasereinrichtungen mit einer beliebigen Anzahl gestapelter Kantenemitter angewandt werden, ist der Übersichtlichkeit halber nachfolgend jedoch anhand einer Lasereinrichtung 100 mit drei gestapelten Halbleiterlasern 110, 120, 130 erläutert.The principle according to the invention described below can generally be applied to laser devices with an arbitrary number of stacked edge emitters, but for the sake of clarity it is described below with reference to a laser device 100 with three stacked semiconductor lasers 110 . 120 . 130 explained.

Die ebenfalls in 8 gezeigte Ortskoordinate x gibt eine Wachstumsrichtung eines epitaktischen Fertigungsprozesses an, bei dem die einzelnen Komponenten der Lasereinrichtung 100 nacheinander schichtweise in an sich bekannter Weise auf ein Substrat 102, beispielsweise ein GaAs-Substrat, aufgewachsen werden.The likewise in 8th shown location coordinate x indicates a growth direction of an epitaxial manufacturing process, in which the individual components of the laser device 100 successively in layers in a conventional manner to a substrate 102 For example, a GaAs substrate to be grown.

Die Lasereinrichtung 100 weist in an sich bekannter Weise angeordnete Barriereschichten 150 auf, die die optische Kopplung benachbarter Halbleiterlaser 110, 120 steuern und gleichzeitig dafür sorgen, dass das Strahlungsfeld im Bereich der Tunneldiode 140 einen vorgebbaren Schwellwert nicht überschreitet, um die intrinsischen Verluste in dem der Tunneldiode 140 zugeordneten Schichtbereich gering zu halten.The laser device 100 has arranged in a conventional manner arranged barrier layers 150 on which the optical coupling of adjacent semiconductor lasers 110 . 120 control and at the same time ensure that the radiation field in the area of the tunnel diode 140 does not exceed a predefinable threshold to the intrinsic losses in the tunnel diode 140 to keep the assigned layer area low.

Die Halbleiterlaser 110, 120, 130 weisen die in 8 durch die Doppelpfeile x1, x2, x3 angedeuteten Schichtdicken auf, und die von ihnen emittierte Laserstrahlung ist durch den Blockpfeil 200 symbolisiert.The semiconductor laser 110 . 120 . 130 have the in 8th by the double arrows x1, x2, x3 indicated layer thicknesses, and the laser radiation emitted by them is through the block arrow 200 symbolizes.

In dem in 8 oberen Bereich der Lasereinrichtung 100 ist eine Wärmesenke 104 angeordnet, die beispielsweise mit einer Kühlvorrichtung, wie z. B. einem Peltierelement, verbunden sein kann und der Kühlung der Lasereinrichtung 100 dient.In the in 8th upper area of the laser device 100 is a heat sink 104 arranged, for example, with a cooling device, such. B. a Peltier element may be connected and the cooling of the laser device 100 serves.

Eine Brechungsindexprofil n der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 100 ist in 3a abgebildet. Bei dieser Ausführungsform ist das Brechungsindexprofil n der Lasereinrichtung 100 vorteilhaft so gewählt, dass eine optische Kopplung zwischen den Halbleiterlasern 110, 120, nicht aber zwischen den Halbleiterlasern 120, 130 gegeben ist. Dies wird vorliegend dadurch bewirkt, dass die Barriereschichten 150' zwischen den nicht optisch gekoppelten Halbleiterlasern 120, 130 eine größere Schichtdicke, gemessen entlang der Schichtdickenkoordinate x, aufweisen als die Barriereschichten 150 zwischen den optisch gekoppelten Halbleiterlasern 110, 120. Alternativ oder ergänzend zu der gesteigerten Schichtdicke der Barriereschichten 150' kann für die Ausbildung der Barriereschichten 150' zum Zwecke der optischen Entkopplung auch ein niedrigerer Brechungsindex als in den herkömmlich ausgebildeten Barriereschichten 150 verwendet werden.A refractive index profile n of the laser device according to the invention 100 is in 3a displayed. In this embodiment, the refractive index profile n of the laser device 100 advantageously chosen so that an optical coupling between the semiconductor lasers 110 . 120 but not between the semiconductor lasers 120 . 130 given is. This is effected in the present case by the fact that the barrier layers 150 ' between the non-optically coupled semiconductor lasers 120 . 130 have a greater layer thickness, measured along the layer thickness coordinate x, than the barrier layers 150 between the optically coupled semiconductor lasers 110 . 120 , Alternatively or in addition to the increased layer thickness of the barrier layers 150 ' can for the training of the barrier layers 150 ' for the purpose of optical decoupling also a lower refractive index than in the conventionally formed barrier layers 150 be used.

D. h., die Barriereschicht 150' zur Realisierung der erfindungsgemäßen optischen Entkopplung kann sich insbesondere hinsichtlich ihrer Schichtdicke und/oder ihres Brechungsindex von der herkömmlichen Barriereschicht 150 unterscheiden.That is, the barrier layer 150 ' For realizing the optical decoupling according to the invention, the conventional barrier layer can be used, in particular with respect to its layer thickness and / or its refractive index 150 differ.

Infolge der erfindungsgemäßen gezielten Entkopplung des Halbleiterlasers 130 kann darin nur eine Lasermode anschwingen, deren günstige Fernfeldverteilung in 3c abgebildet ist.As a result of the targeted decoupling of the semiconductor laser according to the invention 130 can swing into it only one laser mode whose favorable far field distribution in 3c is shown.

Durch die erfindungsgemäße Kombination optisch gekoppelter Halbleiterlaser 110, 120 mit dem optisch nicht gekoppelten Halbleiterlaser 130 ist trotz des nichtkonstanten Temperaturprofils T, vgl. 3b, ein effizienter Betrieb der Lasereinrichtung 100 möglich, weil die Problematik von Unsymmetrien des Brechungsindex n hinsichtlich der optischen Kopplung zwischen den Halbleiterlasern 120, 130 aufgrund der fehlenden optischen Kopplung nicht auftrittThe inventive combination of optically coupled semiconductor lasers 110 . 120 with the optically uncoupled semiconductor laser 130 is despite the non-constant temperature profile T, see. 3b , an efficient operation of the laser device 100 possible, because the problem of asymmetries of the refractive index n with respect to the optical coupling between the semiconductor lasers 120 . 130 due to the lack of optical coupling does not occur

Die 4a, 5a zeigen zwei mögliche Moden, die in dem Bereich der optisch gekoppelten Halbleiterlaser 110, 120 gemäß 3a auftreten können, vgl. auch das sich jeweils ergebende Fernfeld in den 4c, 5c.The 4a . 5a show two possible modes in the field of optically coupled semiconductor lasers 110 . 120 according to 3a can occur, cf. also the respectively resulting far field in the 4c . 5c ,

Durch die im Vergleich zu der Schichtgrenze 120, 130 geringen, jedoch nicht verschwindenden, Temperaturdifferenzen im Bereich der Halbleiterlaser 110, 120 (4b, 5b) können beide gezeigten Moden anschwingen. Allerdings fallen die Effizienzverluste durch ein unterschiedlich starkes Lichtfeld E2 in den Bereichen 110, 120 nicht so stark aus, wie dies im Bereich größerer Temperaturunterschiede und damit i. d. R. größerer Brechungsindexunterschiede gegeben ist. Die beiden Moden haben typischerweise voneinander abweichende Fernfeldwinkel von etwa 65°, 4c, und etwa 55°, 5c. Sofern beide Moden mit gleicher Intensität schwingen, ist ein Fernfeldwinkel von etwa 60° zu erwarten, was bei der Auslegung der Wellenleiterschichten der Halbleiterlaser 110, 120 zu berücksichtigen ist.By compared to the layer boundary 120 . 130 small, but not vanishing, temperature differences in the semiconductor laser 110 . 120 ( 4b . 5b ) Both modes shown can swing. However, the efficiency losses due to a different intensity light field E 2 fall in the areas 110 . 120 not as strong as in the range of larger temperature differences and thus usually given greater refractive index differences. The two modes typically have diverging far-field angles of about 65 °, 4c , and about 55 °, 5c , If both modes oscillate with the same intensity, a far-field angle of about 60 ° is to be expected, which is in the design of the waveguide layers of the semiconductor laser 110 . 120 to take into account.

Möglich ist auch, die Struktur so auszulegen, dass nur die in 5a abgebildete Mode hinreichend kleine intrinsische Verluste hat und somit nur diese Mode anschwingt. Dazu ist beispielsweise eine gesteigerte optische Kopplung oder eine dickere Tunneldiodenschicht 140 vorzusehen.It is also possible to design the structure so that only the in 5a shown mode has sufficiently small intrinsic losses and thus only this mode starts. This is for example an increased optical coupling or a thicker tunnel diode layer 140 provided.

Eine weitere vorteilhafte Erfindungsvariante sieht vor, dass ein erster Brechungsindexverlauf eines ersten Halbleiterlasers 110 über der Schichtdickenkoordinate x und bezogen auf eine Referenztemperatur verschieden ist von einem entsprechenden zweiten Brechungsindexverlauf eines zweiten Halbleiterlasers 120. Durch diese erfindungsgemäße Variation des Brechungsindexverlaufs zwischen unterschiedlichen Halbleiterlasern 110, 120 der Lasereinrichtung ist vorteilhaft eine weitgehende Kompensation des vorstehend beschriebenen, von herkömmlichen Lasereinrichtungen bekannten, Effekts der Beeinflussung des Brechungsindexverlaufs aufgrund des Temperaturprofils möglich.A further advantageous variant of the invention provides that a first refractive index profile of a first semiconductor laser 110 is different from the layer thickness coordinate x and relative to a reference temperature of a corresponding second refractive index profile of a second semiconductor laser 120 , By this inventive variation of the refractive index profile between different semiconductor lasers 110 . 120 The laser device is advantageously a substantial compensation of the above-described, known from conventional laser devices, effect of influencing the refractive index profile due to the temperature profile possible.

6 zeigt einen Brechungsindexverlauf n der optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlaser 110, 120 einer entsprechenden Ausführungsform der Lasereinrichtung 100, wie er sich unter Einfluss von Temperatureffekten während eines Pulsbetriebs mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich ergibt. Der erfindungsgemäß entkoppelte weitere Halbleiterlaser 130 (3a) ist in 6 der Übersichtlichkeit halber nicht abgebildet. 6 shows a refractive index course n of the optically coupled semiconductor laser 110 . 120 a corresponding embodiment of the laser device 100 how it results under the influence of temperature effects during a pulse operation with pulse durations in the microsecond range. The inventively decoupled further semiconductor laser 130 ( 3a ) is in 6 for the sake of clarity not shown.

Neben dem Verlauf des Brechungsindex n der Lasereinrichtung 100 über der Schichtdickenkoordinate x des Epitaxie-Fertigungsprozesses ist in 6 auch die Lichtverteilung über der Schichtdickenkoordinate x in Form des Quadrats E2 der elektrischen Feldstärke in der Lasereinrichtung 100 angegeben.In addition to the course of the refractive index n of the laser device 100 above the layer thickness coordinate x of the epitaxial manufacturing process is in 6 also the light distribution over the layer thickness coordinate x in the form of the square E 2 of the electric field strength in the laser device 100 specified.

Jeder Halbleiterlaser 110, 120 weist eine aktive Zone 111, 121 mit einem Quantenfilm oder dergleichen auf. Die aktive Zone 111, 121 ist jeweils von einem Wellenleiter 112a, 112b bzw. im Falle des weiteren Halbleiterlasers 120 von Wellenleitern 122a, 122b umgeben.Every semiconductor laser 110 . 120 indicates an active zone 111 . 121 with a quantum film or the like. The active zone 111 . 121 is each from a waveguide 112a . 112b or in the case of the further semiconductor laser 120 of waveguides 122a . 122b surround.

Außenseitig des Wellenleiterbereichs 112a ist eine Mantelschicht 101 angeordnet, deren Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des Wellenleiterbereichs 112a.Outside of the waveguide area 112a is a cladding layer 101 arranged, whose refractive index is smaller than the refractive index of the waveguide region 112a ,

Mittig zu den Halbleiterlasern 110, 120 ist eine Tunneldiode 140 angeordnet, die zwischen den bereits unter Bezugnahme auf 8 beschriebenen Barriereschichten 150 liegt.Center to the semiconductor lasers 110 . 120 is a tunnel diode 140 arranged between the already referring to 8th described barrier layers 150 lies.

Die Barriereschichten 150 beeinflussen die Lichtverteilung E2 in der Lasereinrichtung 100 vorteilhaft so, dass eine optische Kopplung zwischen der in dem ersten Wellenleiter 112a, 112b geführten Strahlung mit der in dem zweiten Wellenleiter 122a, 122b geführten Strahlung möglich ist. Gleichzeitig verhindern die Barriereschichten 150 vorteilhaft eine allzu starke Ausdehnung des Lichtfelds in die zwischen den Halbleiterlasern 110, 120, 130 liegenden Bereiche, so dass u. a. die Absorption durch die Tunneldioden 140 gering ist.The barrier stories 150 affect the light distribution E 2 in the laser device 100 advantageous so that an optical coupling between the in the first waveguide 112a . 112b guided radiation with the in the second waveguide 122a . 122b guided radiation is possible. At the same time prevent the barrier layers 150 advantageously an excessively large extent of the light field in between the semiconductor lasers 110 . 120 . 130 lying areas, so that among other things the absorption by the tunnel diodes 140 is low.

Erfindungsgemäß ist der Brechungsindexverlauf n der Halbleiterlaser 110, 120 – bezogen auf eine Referenztemperatur – unterschiedlich voneinander gewählt.According to the invention, the refractive index profile n of the semiconductor laser is 110 . 120 - selected based on a reference temperature - different from each other.

Dadurch wird vorteilhaft dem nichtkonstanten Temperaturprofil T (3b) Rechnung getragen, das sich während des Betriebs der Lasereinrichtung 100 in einem Pulsbetrieb mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich ergibt.This advantageously results in the non-constant temperature profile T ( 3b ) Taken during the operation of the laser device 100 in a pulse mode with pulse durations in the microsecond range.

Durch die erfindungsgemäße Auswahl des Brechungsindexverlaufs n werden vorteilhaft Temperatureinflüsse auf den Brechungsindexverlauf derart kompensiert, dass ein jeweils über die Schichtdicken x1, x2 (8) der Halbleiterlaser 110, 120 gemittelter Brechungsindex – unter Berücksichtigung des Temperatureinflusses – einen gewünschten Wert annimmt.Due to the inventive selection of the refractive index profile n, temperature influences on the refractive index profile are advantageously compensated in such a way that in each case a thickness of the layer thicknesses x1, x2 ( 8th ) of the semiconductor laser 110 . 120 averaged refractive index - taking into account the temperature influence - assumes a desired value.

Die erfindungsgemäße Modifikation des Brechungsindexverlaufs der Halbleiterlaser 110, 120 erfolgt wie aus 6 ersichtlich bei der vorliegenden Ausführungsform durch die Vorsehung besonderer Bereiche 112a', 112b', 122a', 122b', deren Brechungsindex etwas geringer gewählt ist als der Brechungsindex der sie umgebenden weiteren Wellenleiterbereiche 112a, 112b, 122a, 122b.The inventive modification of the refractive index profile of the semiconductor laser 110 . 120 done as out 6 apparent in the present embodiment by the provision of particular areas 112a ' . 112b ' . 122a ' . 122b ' , whose refractive index is chosen to be slightly lower than the refractive index of the surrounding further waveguide regions 112a . 112b . 122a . 122b ,

Hierdurch wird der in dem Bereich des Halbleiterlasers 120 bei Betrieb verstärkten Erwärmung, vgl. das Temperaturprofil T aus 3b, derart entgegengewirkt, dass sich für den Halbleiterlaser 120 unter Einwirkung der höheren Temperatur ein gemittelter Brechungsindex ergibt, der in etwa dem gemittelten Brechungsindex des nicht in demselben Maße temperaturbeaufschlagten Halbleiterlasers 110 entspricht.This will be in the region of the semiconductor laser 120 during operation increased heating, cf. the temperature profile T off 3b , Counteracted such that for the semiconductor laser 120 gives an average refractive index when exposed to the higher temperature, which is approximately equal to the average refractive index of the semiconductor laser, which is not temperature-charged to the same extent 110 equivalent.

Dadurch kann vorteilhaft die optische Kopplung zwischen den Halbleiterlasern 110, 120 verbessert werden, so dass zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Vorsehung nicht optisch gekoppelter Halbleiterlaser 130 auch in dem Bereich der optisch gekoppelten Halbleiterlaser 110, 120 eine verbesserte Fernfeldcharakteristik erzielbar ist.This can advantageously the optical coupling between the semiconductor lasers 110 . 120 be improved, so that in addition to the inventive provision not optically coupled semiconductor laser 130 also in the field of optically coupled semiconductor lasers 110 . 120 an improved far field characteristic can be achieved.

Obwohl durch die erfindungsgemäße Konfiguration der Halbleiterlaser 110, 120 mit nichtkonstantem Brechungsindexverlauf n vorliegend eine Fernfeldverteilung mit zwei Hauptmaxima erhalten wird, liegen etwa 95% der betrachteten Strahlungsleistung in einem vorgegebenen Winkelbereich Δθ = 60°, so dass die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 100 besonders bevorzugt im Bereich von high-power-Laseranwendungen zum Einsatz kommt, die nicht unbedingt ein einzelnes Hauptmaximum erfordern, sondern vielmehr allein eine hohe Konzentration der Strahlungsleistung in dem vorgegebenen Winkelbereich Δθ. Daher eignet sich die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 100 insbesondere zur Anwendung in laserbasierten Zündsystemen für Brennkraftmaschinen, speziell als Pumplichtquelle zum optischen Pumpen von weiteren Lasereinrichtungen wie z. B. passiv gütegeschalteten Festkörperlasern, die in Laserzündkerzen angeordnet sind.Although by the inventive configuration of the semiconductor laser 110 . 120 With a non-constant refractive index curve n in the present case a far-field distribution having two main maxima is obtained, about 95% of the observed radiation power lies in a predetermined angular range Δθ = 60 °, so that the laser device according to the invention 100 is particularly preferably used in the field of high-power laser applications that do not necessarily require a single main maximum, but rather alone a high concentration of the radiation power in the predetermined angular range Δθ. Therefore, the laser device according to the invention is suitable 100 in particular for use in laser-based ignition systems for internal combustion engines, especially as a pump light source for optical pumping of other laser devices such. B. passively Q-switched solid-state lasers, which are arranged in laser spark plugs.

Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 100 ist bevorzugt in Form eines AlGaAs-Systems realisiert, wobei die aktiven Zonen 111, 121, 131 GaAsP und/oder InAlGaAs aufweisen.The laser device according to the invention 100 is preferably realized in the form of an AlGaAs system, wherein the active zones 111 . 121 . 131 GaAsP and / or InAlGaAs.

7 zeigt einen Brechungsindexverlauf n der optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlaser 110, 120 einer weiteren Ausführungsform der Lasereinrichtung 100, bei dem die erfindungsgemäße Modifikation des über die jeweiligen Halbleiterlaser 110, 120 gemittelten Brechungsindex dadurch erfolgt, dass die aktiven Zonen 111, 121 jeweils über unterschiedliche viele Quantenfilme verfügen. Da die Einführung des weiteren Quantenfilms in der aktiven Zone 111 zu einer starken Erhöhung des mittleren Brechungsindex des Halbleiterlasers 110 führt, ist es vorteilhaft, gleichzeitig den Brechungsindex in dem umgebenden Wellenleiter 112a, 112b zu reduzieren. Die hierfür beispielsweise erforderliche Erhöhung des Aluminiumgehalts des die Wellenleiter 112a, 112b bildenden Materials liegt im einstelligen Prozentbereich und kann im Rahmen herkömmlicher epitaktischer Fertigungsprozesse gut eingestellt werden. 7 shows a refractive index course n of the optically coupled semiconductor laser 110 . 120 a further embodiment of the laser device 100 in which the inventive modification of the respective semiconductor laser 110 . 120 averaged refractive index is achieved in that the active zones 111 . 121 each have different numbers of quantum films. As the introduction of the other quantum film in the active zone 111 to a large increase in the average refractive index of the semiconductor laser 110 leads, it is advantageous, at the same time the refractive index in the surrounding waveguide 112a . 112b to reduce. The example required for this increase in the aluminum content of the waveguide 112a . 112b forming material is in the single-digit percentage range and can be well adjusted in the context of conventional epitaxial manufacturing processes.

Es ist ferner vorteilhaft, den Brechungsindex der die Tunneldioden 140 umgebenden Barriere- bzw. Mantelschichten 150 zu erhöhen. Auch die Lage der Quantenfilme relativ zu den sie umgebenden Wellenleitern 112a, 112b kann erfindungsgemäß modifiziert werden, um temperaturbedingte Verzerrungen des Brechungsindexprofils n für einen vorgebbaren Betriebstemperaturbereich zu kompensieren.It is also advantageous, the refractive index of the tunnel diodes 140 surrounding barrier or cladding layers 150 to increase. The position of the quantum films relative to the surrounding waveguides 112a . 112b can be modified according to the invention to compensate for temperature-induced distortions of the refractive index profile n for a predeterminable operating temperature range.

Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen ermöglichen eine weitgehende Kompensation der unsymmetrischen temperaturbedingten Beeinflussung des Brechungsindexprofils n über die optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlaser 110, 120, was zu einer im wesentlichen symmetrischen Lichtfeldverteilung E2 darin bei Betriebstemperatur und damit zu dem bereits beschriebenen günstigen Fernfeld führt.The measures described above enable a far-reaching compensation of the asymmetrical temperature-dependent influencing of the refractive index profile n via the optically coupled semiconductor lasers 110 . 120 , resulting in a substantially symmetrical light field distribution E 2 therein at operating temperature and thus leading to the already described favorable far field.

Der erfindungsgemäß optisch nicht gekoppelte Halbleiterlaser 130 kann einen zu den Halbleiterlasern 110, 120 vergleichbaren oder auch einen abweichenden Brechzahlverlauf aufweisen.The inventively optically non-coupled semiconductor laser 130 can one to the semiconductor lasers 110 . 120 have comparable or a different refractive index profile.

Weitere Maßnahmen zur erfindungsgemäßen Beeinflussung des Brechungsindexverlaufs n im Sinne einer Kompensation von Temperatureffekten können umfassen: Vorsehung unterschiedlicher Schichtdicken für die Wellenleiterbereiche 112a, 112b, 122a, 122b, 132a, 132b, die Barriereschichten 150, 150' sowie die Zugabe weiterer Komponenten wie z. B. Phosphor bei der Fertigung der Lasereinrichtung 100, um das Brechungsindexprofil n zu verändern.Further measures for influencing the refractive index profile n according to the invention in the sense of compensating for temperature effects may include: Provision of different layer thicknesses for the waveguide regions 112a . 112b . 122a . 122b . 132a . 132b , the barrier stories 150 . 150 ' and the addition of other components such. B. phosphor in the manufacture of the laser device 100 to change the refractive index profile n.

Die vorstehenden erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich auch miteinander kombinieren und sind generell auch auf Lasereinrichtungen mit mehr als drei Halbleiterlasern 110, 120, 130 anwendbar.The above measures according to the invention can also be combined with one another and are generally also applicable to laser devices with more than three semiconductor lasers 110 . 120 . 130 applicable.

Eine bezogen auf die Schichtickenkoordinate x abwechselnde Vorsehung von optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern 110, 120 und nicht optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern 130 ist ebenfalls denkbar.A reference to the Schichtickenkoordinate x alternating Providence of optically coupled semiconductor lasers 110 . 120 and non-optically coupled semiconductor lasers 130 is also possible.

Neben einer kontinuierlichen Veränderung des Brechungsindex n über der Schichtdickenkoordinate x, die eine sehr präzise Einstellung des Aluminium- oder sonstigen den Brechungsindex n beeinflussenden Fremdstoffgehalts, erfordert, kann z. B. ein bestimmter Abschnitt 112a' (6) einer Wellenleiterschicht 112a mit einem veränderten Brechungsindex ausgebildet werden, um den erfindungsgemäßen Effekt zu erzielen.In addition to a continuous change in the refractive index n over the layer thickness coordinate x, which requires a very precise adjustment of the aluminum or other refractive index n influencing impurity content, z. For example, a specific section 112a ' ( 6 ) of a waveguide layer 112a be formed with a modified refractive index in order to achieve the effect according to the invention.

Eine weitere, besonders einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 100 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtaufbau der Lasereinrichtung 100 in zwei aneinander angrenzende Schichtdickenbereiche B1, B2 (8) unterteilt ist, wobei ein erster Schichtdickenbereich B1 Halbleiterlaser 110, 120 aufweist, die jeweils mit benachbarten Halbleiterlasern desselben Schichtdickenbereichs optisch gekoppelt sind, und wobei ein zweiter Schichtdickenbereich B2 Halbleiterlaser 130 aufweist, die nicht mit benachbarten Halbleiterlasern, insbesondere desselben Schichtdickenbereichs, optisch gekoppelt sind. Besonders bevorzugt erfolgt die Unterteilung der Schichtdickenbereiche in Abhängigkeit von einem für einen Betrieb der Lasereinrichtung 100 erwarteten Temperaturverlauf T über der Schichtdickenkoordinate x. Die erfindungsgemäße Einteilung in die unterschiedlichen Schichtdickenbereiche B1, B2 ermöglicht eine besonders einfache Fertigung der Lasereinrichtung 100, bei der die eine optische Kopplung benachbarter Halbleiterlaser 110, 120 bestimmenden Fertigungsparameter nur einmal, nämlich in dem Übergangsbereich zwischen den beiden Schichtdickenbereichen B1, B2, verändert werden müssen.Another, particularly simple embodiment of the laser device according to the invention 100 is characterized in that a layer structure of the laser device 100 in two adjoining layer thickness ranges B1, B2 ( 8th ), wherein a first layer thickness region B1 semiconductor laser 110 . 120 each of which is optically coupled to adjacent semiconductor lasers of the same layer thickness range, and wherein a second layer thickness region B2 is semiconductor laser 130 which are not optically coupled to adjacent semiconductor lasers, in particular the same layer thickness range. Particularly preferably, the subdivision of the layer thickness ranges takes place as a function of one for operation of the laser device 100 expected temperature curve T over the layer thickness coordinate x. The division according to the invention into the different layer thickness ranges B1, B2 enables a particularly simple production of the laser device 100 in which the one optical coupling of adjacent semiconductor laser 110 . 120 determining manufacturing parameters only once, namely in the transition region between the two layer thickness ranges B1, B2, must be changed.

Optisch von ihren Nachbarn entkoppelte Halbleiterlaser 130 werden bevorzugt in solchen Bereichen der Lasereinrichtung 100 vorgesehen, in denen bei Betrieb große Temperaturänderungen über der Schichtdickenkoordinate x vorhanden sind.Optically decoupled from their neighbors semiconductor laser 130 are preferred in such areas of the laser device 100 provided, in which during operation, large temperature changes over the layer thickness coordinate x are present.

Aufgrund ihrer hohen Effizienz auch bei der Erzeugung von Laserpulsen mit Pulsdauern im Mikro- oder sogar Millisekundenbereich eignet sich die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 100 ganz besonders zur Erzeugung von Pumpstrahlung 200 zum optischen Pumpen von weiteren Lasersystemen, insbesondere von Festkörperlasern mit passiver Güteschaltung.Due to its high efficiency even in the generation of laser pulses with pulse durations in the micro or even milliseconds range, the laser device according to the invention is suitable 100 especially for the generation of pump radiation 200 for optical pumping of other laser systems, in particular of solid state lasers with passive Q-switching.

Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 100 dazu eingesetzt, in einem Pulsbetrieb Laserimpulse mit Pulsdauern von mindestens etwa zwei Mikrosekunden, vorzugsweise mindestens etwa zehn Mikrosekunden, zu erzeugen, insbesondere um Festkörperlaser von Laserzündkerzen optisch zu pumpen.The laser device according to the invention is particularly preferred 100 used to generate laser pulses with pulse durations of at least about two microseconds, preferably at least about ten microseconds, in a pulse mode, in particular in order to optically pump solid-state lasers of laser spark plugs.

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Claims (9)

Lasereinrichtung (100) mit mindestens zwei schichtartig übereinander angeordneten und als Kantenemitter ausgebildeten monolithisch integrierten und optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern (110, 120), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Halbleiterlaser (130) vorgesehen ist, der nicht mit einem benachbarten Halbleiterlaser (120) optisch gekoppelt ist.Laser device ( 100 ) with at least two monolithically integrated semiconductor lasers stacked one above the other and designed as edge emitters ( 110 . 120 ), characterized in that at least one further semiconductor laser ( 130 ) which is not connected to an adjacent semiconductor laser ( 120 ) is optically coupled. Lasereinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtaufbau der Lasereinrichtung (100) in zwei aneinandergrenzende Schichtdickenbereiche (B1, B2) unterteilt ist, wobei ein erster Schichtdickenbereich (B1) Halbleiterlaser (110, 120) aufweist, die jeweils mit benachbarten Halbleiterlasern (110, 120) desselben Schichtdickenbereichs (B1) optisch gekoppelt sind, und wobei ein zweiter Schichtdickenbereich (B2) Halbleiterlaser (130) aufweist, die nicht mit benachbarten Halbleiterlasern (130), insbesondere desselben Schichtdickenbereichs (B2), optisch gekoppelt sind.Laser device ( 100 ) according to claim 1, characterized in that a layer structure of the laser device ( 100 ) is subdivided into two adjacent layer thickness regions (B1, B2), wherein a first layer thickness region (B1) is semiconductor laser ( 110 . 120 ), each with adjacent semiconductor lasers ( 110 . 120 ) of the same layer thickness region (B1) are optically coupled, and wherein a second layer thickness region (B2) is semiconductor laser ( 130 ), which are not compatible with adjacent semiconductor lasers ( 130 ), in particular the same layer thickness range (B2), are optically coupled. Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Brechungsindexverlauf (n) eines ersten Halbleiterlasers (110) über einer Schichtdickenkoordinate (x) und bezogen auf eine Referenztemperatur verschieden ist von einem entsprechenden zweiten Brechungsindexverlauf eines zweiten Halbleiterlasers (120).Laser device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a first refractive index profile (n) of a first semiconductor laser ( 110 ) is different over a layer thickness coordinate (x) and relative to a reference temperature from a corresponding second refractive index profile of a second semiconductor laser ( 120 ). Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein über eine Schichtdicke (x1) eines ersten Halbleiterlasers (110) gemittelter Brechungsindex bezogen auf eine Referenztemperatur von einem über eine Schichtdicke (x2) eines zweiten Halbleiterlasers (120) gemittelten Brechungsindex bezogen auf die Referenztemperatur verschieden ist.Laser device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a layer thickness (x1) of a first semiconductor laser ( 110 ) averaged refractive index relative to a reference temperature of one over a layer thickness (x2) of a second semiconductor laser ( 120 ) averaged refractive index relative to the reference temperature is different. Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex (n) der Lasereinrichtung (100), insbesondere von die Halbleiterlaser (110, 120) bildenden Komponenten, sich zumindest abschnittsweise kontinuierlich über der Schichtdickenkoordinate (x) ändert.Laser device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the refractive index (n) of the laser device ( 100 ), in particular of the semiconductor laser ( 110 . 120 ) forming components, at least in sections continuously changes over the layer thickness coordinate (x). Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex (n) einer Schicht (112) eines ersten Halbleiterlasers (110) zumindest abschnittsweise um einen vorgebbaren, vorzugsweise konstanten, Wert von dem Brechungsindex (n) einer korrespondierenden Schicht (122) eines weiteren Halbleiterlasers (120) abweicht.Laser device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the refractive index (n) of a layer ( 112 ) of a first semiconductor laser ( 110 ) at least in sections by a predeterminable, preferably constant, value of the refractive index (n) of a corresponding layer ( 122 ) of a further semiconductor laser ( 120 ) deviates. Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlaser (110, 120, 130) eine unterschiedliche Anzahl von Quantenfilmen (111, 121, 131) aufweisen.Laser device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor lasers ( 110 . 120 . 130 ) a different number of quantum films ( 111 . 121 . 131 ) exhibit. Verfahren zum optischen Pumpen eines Lasers, insbesondere eines passiv gütegeschalteten Festkörperlasers, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche dazu verwendet wird, Pumpstrahlung zum optischen Pumpen des Lasers zu erzeugen.Method for optically pumping a laser, in particular a passively Q-switched solid-state laser, characterized in that at least one laser device ( 100 ) according to any one of the preceding claims is used to generate pump radiation for optically pumping the laser. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (100) in einem Pulsbetrieb Laserimpulse erzeugt, deren Impulsdauer mindestens 2 Mikrosekunden, vorzugsweise mindestens 10 Mikrosekunden, beträgt.Method according to claim 8, characterized in that the laser device ( 100 ) generates laser pulses in a pulsed operation whose pulse duration is at least 2 microseconds, preferably at least 10 microseconds.
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